現今的熱溫管理系統是由許多分立元件所組成，包括用來產生脈衝寬度調變(PWM)的微控制器(MCU)(多個控制器用以構成大型散熱風扇控制系統)、負責溫度感測作業的微控制器(共用或分立型)，以及如中央處理器(CPU)、現場可編程閘陣列(FPGA)、特殊應用積體電路(ASIC)等的主要應用處理器，一起分擔散熱風扇的速度管理工作。
對於機箱通訊系統這類大型終端產品而言，它們通常採用相當複雜的熱溫管理解決方案，內部裝有多個上述的分立元件。而其他體積較小的產品，所採用的解決方案也大多含有多種分立元件，只是結構較為簡單。
本文將闡述如何妥善運用可編程系統單晶片技術，來簡化先進熱溫管理解決方案並節省零組件成本，除了有效整合這類系統的各種分立元件外，更創造各種新功能，讓這類解決方案所建構的終端產品能大幅提升可靠度與擴展銷路。
支援無限制感測器介面
在高功率產業或通訊系統中，經常面臨的一項挑戰就是控制產品中的熱溫環境。建置這些控制機制的第一步，首先要了解周遭的實際狀況，亦即溫度感測。在量測溫度方面，可以利用類比或數位溫度感測器，兩者都有高階和低階版本，而不論是量測到攝氏正負0.1度，或者正負1度的誤差範圍，市面上都有相對應的產品，實際的挑選因素還包括尺寸、距離及成本。
現今最廉價的類比式溫度感測器就屬二極體(Diode)和電晶體型元件，它們也是體積最小的元件。而要量測微伏特(μV)的數值，最重要的考量因素就是二極體和受測元件間的距離，必須量出這類內含類比數位轉換器(ADC)元件的電壓。
目前最受歡迎的數位式溫度感測器是I2C前端溫度感測器，它含有一個整合式ADC、二極體溫度感測器，以及可擷取溫度值的I2C介面。數位溫度感測器適合用在長距離的量測，但其價格遠高於結構簡單的二極體。此外，還有熱電耦型元件，適合用來感測周圍環境溫度，熱阻體、PWM數位溫度感測器及其他元件。
系統單晶片型態的元件內部含有可編程數位與類比功能，可連結各種類型的溫度感測器，以建構成高密度的元件，不會受限於市面上任何功能固定的獨立式微控制器。因此，不論是系統工程師或設計師，都能專注研發真正需要的功能，毋須費力並能以最低的成本去修改現成元件來滿足各種需求。
若要排除各種限制，以提升溫度感測器在散熱設計方面的品質，可以在應用中加入更多的溫度感測點，以充分掌握溫度狀況，並真正優化散熱風扇的配置、速度和演算法。藉由優化散熱風扇的速度控制，來降低最終系統的成本、功耗與噪音。
打造獨特的散熱風扇控制功能
在風扇控制方面，不論是3線或4線型風扇，通常採用PWM介面來調整PWM週期的占空係數，或是修改風扇的實際轉速。一般的系統通常有數個散熱風扇，例如內建少於四個風扇的系統，會採用內建PWM周邊元件的微控制器，以個別控制這些風扇的轉速。
當元件可連結多個PWM周邊時，就能利用單一PWM介面來驅動多個風扇。在風扇的控制功能上，這種模式相當有效，因此成為實質的業界標準，但它也限制了透過獨立風扇控制機制來進行控制與優化的能力。
除此之外，若要計算實際的風扇轉速，那麼每個風扇輸出到轉速計的訊號都必須連結到一個計時器或計數器，藉以判斷風扇的每分鐘轉數(RPM)。雖然大多數應用不一定須要知道每個散熱風扇的確切RPM轉速，但若要判斷是否發生風扇停轉或轉子鎖死等故障狀況，這個訊號就極為重要。
可編程的邏輯式解決方案能排除一般微控制器的許多限制，比起其他任何分立型解決方案更能夠單獨控制更多的風扇。另外，由於支援獨立控制並監視系統中的每個風扇，因此能夠建置硬體/邏輯式的迴路速度控制機制；優化每個風扇的轉速，藉以改善噪音與耗電量，配合系統的實際需求，讓溫度維持在目標範圍；並且，根據以往的PWM占空係數與實際RPM轉速分析結果，建置先進的預測風扇故障與風扇老化演算法。
硬體或邏輯型閉路轉速控制機制，基本上能夠採用可編程邏輯來建置一個PWM周邊元件，並結合風扇轉速計的輸出值，傳送到中央計數器模塊，再配合韌體的指令，即可設定與維護每個風扇的占空係數。這項功能通常建置在微控制器的韌體中，由微控制器負責控制每個風扇，或更常見地，由最終應用的設計工程師花費數周的時間來分析應用中風扇轉速的占空係數。
一個結合可編程邏輯的解決方案，可建置多個PWM與計數器周邊元件，讓嵌入式方案工程師能為系統中每個風扇建置單一專屬PWM，共同分享一個計數器功能。利用合適的可編程邏輯、智慧型轉速計功能，再加上簡單的計數器工具，就能得到想要的RPM轉速值，更可以自我調節PWM占空係數，以維持理想的轉速。
在這種建置模式中，可建構出以往標準型微控制器韌體控制技術不可能達到的功能，例如高精準度的風扇轉速控制機制，不僅能降低噪音與耗電，還能夠輕易建置出預測風扇故障與風扇老化的演算法。
散熱風扇向來以不精確與難以維護著稱，在特定的PWM占空係數之下，RPM轉速的誤差範圍通常達到正負10%甚至更大。然而，在一個閉路式硬體控制系統中，研發業者可輕易達到並維持誤差範圍僅1%的高精準度RPM轉速，而且延遲極短。若是建置在韌體內，則可能有噪音惱人的風扇共振狀況。
在回應PWM占空係數調整作業方面，風扇的速度也相對遲緩，若要降低欠壓與過壓問題，可採用高速的硬體控制型系統，否則也可能產生惱人的噪音，而這類問題同樣可以利用阻尼係數來加以解決。
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| 圖1 智慧型風扇控制元件 |
例如，賽普拉斯(Cypress)推出一款智慧型風扇控制元件與應用指南，搭配其PSoC元件與PSoC Creator軟體一同使用，就可以建置出上述的硬體控制型風扇管理系統。工程師能夠自行客製化其風扇控制器解決方案，僅須套用自己的系統層級參數，像是阻尼係數、容許範圍、控制的類型等，這個元件會自行設定出適合的可編程邏輯及韌體應用程式介面(API)呼叫程式(圖1)。
可編程系統單晶片內部整合了可編程邏輯元件和一個微控制器，能建置各種預測性故障偵測演算法，這種方案的結構遠比其他產品來得簡單。而針對風扇控制器運用閉路式或硬體控制型機制，系統能夠得知理想的風扇轉速，以及要長時間達成理想轉速所需的占空係數。
在背景模式下，對微控制器運用合適的演算法，可監視占空係數的長期趨勢，偵測出占空係數的遞增或遞減，以達到相同的RPM轉速。占空係數持續增加，是風扇出現機械故障的前兆，必須增加風扇的供電才能維持相同的RPM轉速。占空係數遞減，代表風扇的濾網被灰塵阻塞，或其他因素影響通過風扇的氣流，導致空氣阻力降低、通過的氣流減少，以致系統僅須較少的電力就能達到相同的RPM轉速。
但是，這些功能特色只能透過閉路式控制機制建置在系統內，否則就無法取得長時間的占空係數與RPM轉速數據來進行這類分析。
提供全方位熱溫管理解決方案
運用賽普拉斯PSoC可編程系統單晶片這類可編程解決方案，能夠將上述必要的溫度感測與各種獨特的風扇控制功能，全數整合在單一元件內。各種類比周邊元件、可編程邏輯和整合式微控制器，以及先進的風扇故障預測演算法等功能，都能輕易整合到單一元件中。
此外，這樣的整合還能獲得其他系統層級的利益，除了分擔主應用處理器的作業負荷外，還能夠分散各種典型的熱溫管理作業，包括較高階的溫度感測器整合及風扇轉速控制演算法。
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| 圖2 PSoC Creator 熱溫管理元件 |
運用整合式解決方案，一個完整的熱溫管理系統的研發工作可大幅簡化，讓業者開發出各種龐大且複雜的應用。例如，業者可自行設計軟體工具，分離出低階的類比或數位式溫度感測器介面、風扇的可編程邏輯控制，或整合各種溫度感測器、風扇轉速控制以及熱溫區域控制演算法。如圖2所示，妥善設計的軟體工具能列出這類參數與設定，簡化熱溫管理方案的設計流程。
運用這類解決方案可以大幅減輕主應用處理器的作業負荷，讓元件更加專注於執行最終系統的重要功能，例如網路交換器的流量管理作業，或伺服器等儲存系統的資料吞吐量。
此外，若能整合建置全套熱溫管理功能的各種分立式元件，不僅可節省大筆的成本，還能省下可觀的電路板空間。不論在節省成本、效能或可靠性功能上，可編程系統單晶片架構均能協助建構新一代的熱溫管理解決方案。